CN110365232B - 一种宽输出电压范围的单输入双输出变换器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种宽输出电压范围的单输入双输出变换器及其控制方法，四个二极管形成两个桥臂，第一桥臂与第一电感相连，第一电感与第一开关管的漏极和第三开关管的源极相连接，第一开关管的源极与第一桥臂第二桥臂及第一电容的负极相连，第二开关管的源极与第三开关管的漏极及第二电感相连，第二开关管的漏极与第一电容和第二电容的正极相连，第二电容的负极与第二电感的另一端连接；本发明通过开关管的复用，减少了功率器件的使用，提高了功率密度和变换器的整体转换效率，实现了宽范围的电压输出，控制简单，无需额外附加解耦电路，通过双输出拓扑优势，大大减小了直流侧滤波电容的容值，同时保证所需的输出电压稳定。

Description

一种宽输出电压范围的单输入双输出变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子变换器领域，尤其是一种单输入双输出变换器及其控制方法。
背景技术
在诸如光伏***，混合电动/燃料电池车辆，个人计算机、数码相机、便携式测试仪器等应用中包含多个功能模块，如手机射频收发电路、IO接口模块、AD/DA模块、微处理器、数字信号处理电路等。随着现代电力电子技术的发展，对高速和低功耗的要求也越来越高，因此每个功能模块需要平衡功耗、速度和噪声之间的关系，以获得最优化的设计。采用多路电压可以有效降低功耗，提高电池的续航能力，同时满足速度的要求。虽然多个单输入单输出(Single Input Single Output：SISO)变换器可以满足要求并且实现简单，但存在拍频干扰，且需要多个功率管和外部的滤波电感，元件数量显著增加，产生了不期望的高成本及体积。近几年高速发展的数字技术对低成本、高性价比、高功率密度、小型化的要求越来越强烈，因此需要一种全新的技术来实现这一需求。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种宽输出电压范围的单输入双输出变换器及其控制方法，使其能满足不同电压需求的宽输出电压范围，并且减少所使用的元器件数量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种宽输出电压范围的单输入双输出变换器，输入为交流源Vin；输出为直流电压，分为两路，分别为Vo1和Vo2；
所述宽输出电压范围的单输出双输出变换器中的全桥不控整流结构包括第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)；第一二极管(D1)和第二二极管(D2)位于第一桥臂A上，第一二极管(D1)正端与第二二极管(D2)负端连接，第一桥臂A的中点连接交流输入源的一端；第三二极管(D3)和第四二极管(D4)位于第二桥臂B上，第三二极管(D3)正端与第四二极管(D4)负端连接，第二桥臂B的中点连接交流输入源的另一端；第一桥臂A的上端和第二桥臂B的上端连接，并与第一电感(L1)的一端相连，第一电感(L1)的另一端分别与第一开关管(S1)的漏极和第三开关管(S3)的源极相连接，第一开关管(S1)的源极与第一桥臂A的下端、第二桥臂B的下端、第一电容(C1)的负极相连，第二开关管(S2)的源极与第三开关管(S3)的漏极、第二电感(L2)的一端相连，第二开关管(S2)的漏极与第一电容(C1)和第二电容(C2)的正极相连，第二电容(C2)的负极与第二电感(L2)的另一端连接；负载R1与第一电容(C1)并联，负载R1的两端输出为输出电压Vo1，负载R2与第二电容(C2)并联，负载R2的两端输出为输出电压Vo2。
本发明还提供涉及所述宽输出电压范围的单输入双输出变换器的控制方法为：
第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)在一个周期内不可同时导通；为了避免三个开关管同时导通的情况，根据三个开关管的逻辑关系，令第三开关管(S3)的驱动信号由第一开关管(S1)和第二开关管(S2)的驱动信号分别经过非门后再经过或门得到，通过开关逻辑关系，电路对应的开关状态分为三种：
1)当第一开关管(S1)开通的时候，第一电感(L1)充电；
2)当第一开关管(S1)开通且第二开关管(S2)关断时，第二电感(L2)充电，
3)其他开关状态下，第一电感(L1)和第二电感(L2)电感放电；
当所需求的输出电压高于输入电压Vin时，根据输入输出电压比Vo1＝Vin/(1-D1)，调节第一开关管(S1)的占空比D1，从而调节输出电压Vo1，使输出电压Vo1满足负载需求；此时通过第二电感(L2)的充放电，第二电容(C2)用以存储电路中的脉动功率，使得第一电容(C1)的输出电压Vo1无纹波或存在满足要求指标的纹波电压；
当所需求的输出电压低于输入电压Vin时，根据输入输出电压比Vo2＝(1-D2)Vo1，调节第一开关管(S1)和第二开关管(S2)，使得第二开关管(S2)的占空比D2变化，从而输出电压Vo2满足负载需求；此时第二电感(L2)通过第一电容(C1)充电，并放电至第二电容(C2)，维持第二电容(C2)的输出电压Vo2稳定，第一电容(C1)用以存储脉动功率。
本发明的有益效果在于：
(1)通过开关管的复用，减少了功率器件的使用，提高了功率密度和变换器的整体转换效率，实现了宽范围的电压输出。
(2)控制简单，仅需要对两个开关管进行控制，即可实现两种不同等级的输出电压。
(3)无需额外附加解耦电路，通过双输出拓扑优势，大大减小了直流侧滤波电容的容值，同时保证所需的输出电压稳定。
附图说明
图1为本发明提出的新型单输入双输出变换器拓扑。
图2为本发明提出的变换器工作在CCM下的工作波形图。
图3为高压端作为功率输出时的功率解耦示意图。
图4为低压端作为功率输出时的功率解耦示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
为了实现低成本高性价比的目的，各种减少电路元件的集成多端口变换器应用而生，本发明所提出的单输入双输出的变换器拓扑，其两路输出电压基本无交叉影响，且减少了开关管使用，具有更好的动态性能。
一种宽输出电压范围的单输入双输出变换器，输入为交流源Vin；输出为直流电压，分为两路，分别为Vo1和Vo2；
如图1所示，宽输出电压范围的单输出双输出变换器，交流输入源通过不控全桥整流为直流后，输入至单输入双输出变换器中，变换器输出端根据需求接蓄电池或负载。所述宽输出电压范围的单输出双输出变换器中的全桥不控整流结构包括第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)；第一二极管(D1)和第二二极管(D2)位于第一桥臂A上，第一二极管(D1)正端与第二二极管(D2)负端连接，第一桥臂A的中点连接交流输入源的一端；第三二极管(D3)和第四二极管(D4)位于第二桥臂B上，第三二极管(D3)正端与第四二极管(D4)负端连接，第二桥臂B的中点连接交流输入源的另一端；第一桥臂A的上端和第二桥臂B的上端连接，并与第一电感(L1)的一端相连，第一电感(L1)的另一端分别与第一开关管(S1)的漏极和第三开关管(S3)的源极相连接，第一开关管(S1)的源极与第一桥臂A的下端、第二桥臂B的下端、第一电容(C1)的负极相连，第二开关管(S2)的源极与第三开关管(S3)的漏极、第二电感(L2)的一端相连，第二开关管(S2)的漏极与第一电容(C1)和第二电容(C2)的正极相连，第二电容(C2)的负极与第二电感(L2)的另一端连接；负载R1与第一电容(C1)并联，负载R1的两端输出为输出电压Vo1，负载R2与第二电容(C2)并联，负载R2的两端输出为输出电压Vo2。
所述宽输出电压范围的单输入双输出变换器的控制方法为：
第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)在一个周期内不可同时导通；为了避免三个开关管同时导通的情况，根据三个开关管的逻辑关系，令第三开关管(S3)的驱动信号由第一开关管(S1)和第二开关管(S2)的驱动信号分别经过非门后再经过或门得到，通过开关逻辑关系，电路对应的开关状态分为三种：
1)当第一开关管(S1)开通的时候，第一电感(L1)充电；
2)当第一开关管(S1)开通且第二开关管(S2)关断时，第二电感(L2)充电，
3)其他开关状态下，第一电感(L1)和第二电感(L2)电感放电；
简化开关逻辑后电路对应的开关状态有三种，如图2所示的开关关系，令电路工作在CCM状态下，此时第一电感(L1)和第二电感(L2)的电流在一个工作周期内始终大于0。
当所需求的输出电压高于输入电压Vin时，根据输入输出电压比Vo1＝Vin/(1-D1)，调节第一开关管(S1)的占空比D1，从而调节输出电压Vo1，使输出电压Vo1满足负载需求；此时通过第二电感(L2)的充放电，第二电容(C2)用以存储电路中的脉动功率，使得第一电容(C1)的输出电压Vo1无纹波或存在满足要求指标的纹波电压；
当所需求的输出电压低于输入电压Vin时，根据输入输出电压比Vo2＝(1-D2)Vo1，调节第一开关管(S1)和第二开关管(S2)，使得第二开关管(S2)的占空比D2变化，从而输出电压Vo2满足负载需求；此时第二电感(L2)通过第一电容(C1)充电，并放电至第二电容(C2)，维持第二电容(C2)的输出电压Vo2稳定，第一电容(C1)用以存储脉动功率。
根据图2可以看出来，当第一开关管(S1)开通的时候，第一电感(L1)充电，当第一开关管(S1)开通且第二开关管(S2)关断时，第二电感(L2)充电，其他开关状态下两个电感放电。第一开关管(S1)和(S2)的占空比分别用D1和D2表示，则根据一个工作周期内电感充放电能量守恒，得到电路输出电压与开关管占空比的关系，分别表示为：Vo1＝Vin/(1-D1),Vo2＝(1-D2)Vo1＝Vin(1-D2)/(1-D1)；当所需的输出电压较高，根据输入输出电压比来调节第一开关管(S1)的占空比，当所需的输出电压较低时，根据输入输出电压比来调节第一开关管(S1)开通且第二开关管(S2)关断的时间，以实现变换器不同输出电压的需求。
当需要高压输出时，通过第二电感(L2)的充放电，第二电容(C2)用以存储电路中的脉动功率，使得第一电容(C1)的输出电压无纹波或存在较小的纹波电压；其解耦示意图如图3所示。
当负载端需要低压输出时，第二电感(L2)通过第一电容(C1)充电，并放电至第二电容(C2)，维持第二电容(C2)的输出电压稳定，第一电容(C1)用以存储脉动功率，其解耦示意图如图4所示。一路输出电压端口作为功率输出，另一路输出电压端口作为功率解耦，在无需额外附加解耦电路的情况下，实现了功率解耦，使得功率输出端的输出电压稳定。根据对不同等级电压的需求，在控制中进行切换，即可实现不同电压等级的输出。

Claims (2)

1.一种宽输出电压范围的单输入双输出变换器，其特征在于：
所述宽输出电压范围的单输入双输出变换器，输入为交流源Vin；输出为直流电压，分为两路，分别为Vo1和Vo2；
所述宽输出电压范围的单输入 双输出变换器中的全桥不控整流结构包括第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)；第一二极管(D1)和第二二极管(D2)位于第一桥臂A上，第一二极管(D1)正端与第二二极管(D2)负端连接，第一桥臂A的中点连接交流输入源的一端；第三二极管(D3)和第四二极管(D4)位于第二桥臂B上，第三二极管(D3)正端与第四二极管(D4)负端连接，第二桥臂B的中点连接交流输入源的另一端；第一桥臂A的上端和第二桥臂B的上端连接，并与第一电感(L1)的一端相连，第一电感(L1)的另一端分别与第一开关管(S1)的漏极和第三开关管(S3)的源极相连接，第一开关管(S1)的源极与第一桥臂A的下端、第二桥臂B的下端、第一电容(C1)的负极相连，第二开关管(S2)的源极与第三开关管(S3)的漏极、第二电感(L2)的一端相连，第二开关管(S2)的漏极与第一电容(C1)和第二电容(C2)的正极相连，第二电容(C2)的负极与第二电感(L2)的另一端连接；负载R1与第一电容(C1)并联，负载R1的两端输出为输出电压Vo1，负载R2与第二电容(C2)并联，负载R2的两端输出为输出电压Vo2。
2.一种利用权利要求1所述宽输出电压范围的单输入双输出变换器的控制方法，其特征在于包括下述步骤：
第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)在一个周期内不可同时导通；为了避免三个开关管同时导通的情况，根据三个开关管的逻辑关系，令第三开关管(S3)的驱动信号由第一开关管(S1)和第二开关管(S2)的驱动信号分别经过非门后再经过或门得到，通过开关逻辑关系，电路对应的开关状态分为三种：
1)当第一开关管(S1)开通的时候，第一电感(L1)充电；
2)当第一开关管(S1)开通且第二开关管(S2)关断时，第二电感(L2)充电，
3)其他开关状态下，第一电感(L1)和第二电感(L2)电感放电；
当所需求的输出电压高于输入电压Vin时，根据输入输出电压比Vo1＝Vin/(1-D1)，调节第一开关管(S1)的占空比D1，从而调节输出电压Vo1，使输出电压Vo1满足负载需求；此时通过第二电感(L2)的充放电，第二电容(C2)用以存储电路中的脉动功率，使得第一电容(C1)的输出电压Vo1无纹波或存在满足要求指标的纹波电压；
当所需求的输出电压低于输入电压Vin时，根据输入输出电压比Vo2＝(1-D2)Vo1，调节第一开关管(S1)和第二开关管(S2)，使得第二开关管(S2)的占空比D2变化，从而输出电压Vo2满足负载需求；此时第二电感(L2)通过第一电容(C1)充电，并放电至第二电容(C2)，维持第二电容(C2)的输出电压Vo2稳定，第一电容(C1)用以存储脉动功率。
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